BADANIA HOMOLOGACYJNE A EKSPLOATACYJNE WARUNKI PRACY SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO

I

R

A

E

2012: Z. 2(137) T. 2

S

. 65-75

ISSN 1429-7264

http://www.ptir.org

BADANIA HOMOLOGACYJNE A EKSPLOATACYJNE WARUNKI PRACY SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO

Ireneusz Hetmańczyk, Andrzej Bieniek

Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych, Politechnika Opolska

Streszczenie. Każdy nowo skonstruowany pojazd dopuszczony do użytkowania na obszarze UE musi uzyskać certyfikat homologacyjny. Jednym z kryteriów branych pod uwagę w trak- cie wykonywania takich testów jest poziom emisji substancji szkodliwych dla środowiska.

Rosnące wymagania co do czystości spalin wymuszają na producentach poszukiwanie no- wych rozwiązań technicznych. W celu kontroli wielkości emisji UE opracowała szereg te- stów homologacyjnych w tym również dla pojazdów poruszających się głównie poza droga- mi publicznymi. W opracowaniu przedstawiono wymagania dotyczące przeprowadzenia pomiarów zgodnych z wymaganiami UE, procedurę opracowania testu NRTC dla konkretne- go silnika oraz wyniki badań hamownianych konkretnego silnika o zapłonie samoczynnym.

Zwrócono uwagę na rozbieżności pomiędzy założonymi i eksploatacyjnymi punktami pracy silnika.

Słowa kluczowe: silnik wysokoprężny, badania homologacyjne, pojazdy nonroad, normy emisji spalin

Wprowadzenie

Wszystkie pojazdy poruszające się na terytorium UE zostały objęte restrykcjami w za-

kresie emisji substancji szkodliwych w spalinach. Wśród norm emisji spalin dla pojazdów

poruszających się głównie poza drogami utwardzonymi, (pojazdy nonroad), w Europie

obowiązują normy Euro, które w znacznej mierze nawiązują do regulacji zawartych

w normach Tier (EPA Nonroad Regulation, 40 CFR 89; 40 CFR1039; 40 CFR 1068) obo-

wiązujących m.in. w USA [Bieniek i in. 2011a, Bieniek i in. 2011b]. Oprócz tego inne

ograniczenia występują w Indiach (normy Bharat), Japonii (MOE, MOC, MOT) oraz Rosji

[Dieselnet, Kopiński, Jacson 2010, Merkisz 1998, VDMA 2008]. Ograniczenie emisji

pojazdów nonroad w Europie jest zapisane w odpowiedniej dyrektywie EU-Nonroad

Directive 97/68/EC (2004/26/EC), dodatkowo uzupełnionej w przypadku ciągników rolni-

czych o dyrektywy 2000/25/EC oraz 2005/13/EC. Szczegółowe poziomy dopuszczalnej

emisji poszczególnych składników spalin przedstawiono w tabeli 1. Pomiar emisji w po-

szczególnych zakresach mocy maksymalnej silników odbywa się według wytycznych za- wartych w dyrektywie a opartych o cykle obciążeniowe dla stanów ustalonych ISO 8178, ECE R49, ESSC (European Steady State Cycle) lub NRSC (Non Road Stationary Cycle) opartym na ECE R49 i dla stanów nieustalonych NRTC (Nonroad Transient Cycle) [Die- selnet, EPA 2001, Merkisz 1998, VDMA 2008].

Tabela 1. Dopuszczalna emisja pojazdów nonroad wg. EU-97/68/EC Table 1. Limits of emission for non-road vehicles according to EU-97/68/EC

NO

[g·kWh

] HC [g·kWh

] Zakres mocy P

,

[kW] NO

+NMHC

CO [g·kWh

]

PM

[g·kWh

] wprowadzenia ^Data Etap I

37≤P

<75 9,2 1,3 6,5 0,85 1999

75≤P

<130 9,2 1,3 5,0 0,70 1999

130≤P

<560 9,2 1,3 5,0 0,54 1999

Etap II

18≤P

<37 8,0 1,5 5,5 0,8 2001

37≤P

<75 7,0 1,3 5,0 0,4 2004

75≤P

<130 6,0 1,0 5,0 0,3 2003

130≤P

<560 6,0 1,0 3,5 0,2 2002

Etap IIIa

19≤P

<37 7,5 5,5 0,6 2007

37≤P

<75 4,7 5,0 0,4 2008

75≤P

<130 4,0 5,0 0,3 2007

130≤P

<560 4,0 3,5 0,2 2006

Etap IIIb

37≤P

<56 4,7 5,0 0,025 2013

56≤P

<75 3,3 0,19 5,0 0,025 2012

75≤P

<130 3,3 0,19 5,0 0,025 2012

130≤P

<560 2,0 0,19 3,5 0,025 2011

Etap IV

56≤P

<130 0,4 0,19 5,0 0,025 2014

130≤P

<560 0,4 0,19 3,5 0,025 2014

Źródło: wykonano an podstawie VDMA (2008): Exhaust Emission Legislation Diesel and Gas Engines

W tabeli 2 przedstawiono przykładowe punkty pomiarowe cyklu stacjonarnego typu B wg ISO 8178 dotyczące wybranej grup pojazdów nonroad dla cyklu NRSC. W badanym cyklu dokonuje się pomiaru emisji składników spalin z odpowiednią wagą przy różnych wartościach obciążenia silnika oraz podczas pracy silnika na biegu jałowym. Określone w cyklu wartości prędkości znamionowej i pośredniej wału korbowego silnika (zawartej w zakresie 60% do 75% prędkości znamionowej) odpowiadającej prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego silnika [Walsh 2001].

Przedstawiony cykl NRSC ma zastosowanie głównie w przypadku pomiaru emisji spa-

lin spalinowych pojazdów nonroad i jest stosowny w obowiązującej normie Euro IIIa oraz

wcześniejszych jej wersji (Euro I, II).

Tabela 2. Przykładowe fazy cyklu NRSC w teście dla stanów ustalonych ISO 8178 Table 2. Examples of phases of NRSC cycles in the stationary test ISO 8178

Cykl/ współczynnik wagowy Faza cyku

B-cycle

Prędkość obrotowa

Obciążenie

[%] C1 C2 D1 D2 G1

1 100 0,15 0,3 0,05

2 75 0,15 0,5 0,25

3 50 0,15 0,2 0,30

4 25 0,06 0,30

5

znamionwa n

dla P

10 0,1 0,10

6 100 0,1 0,02 0,09

7 75 0,1 0,05 0,20

8 50 0,1 0,32 0,29

9 25 0,30 0,30

10

pośrednia, n

dla T

(0,6 n

-0,75

n

) 10 0,10 0,07

11 bieg jałowy 0 0,15 0,15 0,05

Źródło: wykonano an podstawie Walsh M. (2001):

Global trends in diesel emissions regulation. SAE technical paper

Natomiast inny cykl NRTC (Non Road Transient Cycle) stosuje się do pomiaru emisji składników spalin oraz cząstek stałych pojazdów nonroad w stanach przejściowych. Cykl ten jest stosowany w przypadku norm Euro Stage IIIb oraz IV [Dieselnet, EPA 2001, Gro- madko i in. 2008, Merkisz 1998, VDMA 2008].

Obiekt badań i aparatura pomiarowa

Jednostkę napędową ciągnika rolniczego stanowi czterocylindrowy silnik typu Z 1505 ciągnika rolniczego Zetor Forterra 125 spełniającego obecnie obowiązującą (2011 r.) nor- mę emisji spalin wg. dyrektywy EU-97/68/EC [VDMA 2008]. Jest on zasilany olejem napędowym, wyposażony seryjnie w: system turbodoładowania, chłodnicę powietrza doła- dowującego typu gaz-gaz, dwustanowy zawór recyrkulacji spalin (EGR), chodnicę spalin typu spaliny-ciecz oraz czterosekcyjną mechaniczną rzędową pompę wtryskową typu Mer- cer. Charakterystykę zewnętrzną silnika przedstawiającą przebieg mocy, momentu obroto- wego i jednostkowego zużycia paliwa jako funkcję prędkości obrotowej wału korbowego silnika przedstawiono na rys. 1.

Przeprowadzenie cyklów pomiarowych zgodnych z normami Euro wymaga zastosowa- nia odpowiedniej aparatury pomiarowej oraz stanowiska badawczego, pozwalającego na przeprowadzenie pomiarów warunków pracy silnika w stanach ustalonych jak i nieustalo- nych (przejściowych).

Zastosowanie odpowiedniego sterowania obciążeniem silnika powinno pozwolić na

odwzorowanie dowolnego cyklu badawczego. Jednocześnie pomiar wymaganych wielko-

ści nie ogranicza się do emisji substancji składników spalin oraz cząstek stałych, ale zawie-

ra także pomiar innych parametrów silnika, dzięki którym możliwa jest szersza analiza jego działania i przeprowadzenia stosownego cyklu badawczego. Z tego względu silnik badaw- czy powinien być wyposażony w szereg dodatkowych czujników pomiarowych, monito- rujących ciśnienie w cylindrze (zestaw AVL), temperaturę w wybranych miejscach układu dolotowego i wylotowego, ciśnienia w układzie recyrkulacji spalin oraz pomiaru emisji wybranych substancji gazowych (zintegrowany czujnik NO

/O

) i cząstek stałych.

180 220 260 300 340 380 420 460 500 540

1000 1240 1480 1720 1960 2200

Prędkość obrotowa silnika, [obr·min ]

Mo m ent ob rot o w y, J ed nost kow e zu życ ie p al iw a ,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Mo c ,k W

M g N_e

e o

g[ kW h ]

·· [N ·m ]

Źródło: wykonano na podstawie materiałów informacyjnych firmy Zetor

Rys. 1. Charakterystyka zewnętrzna silnika Z1505

Fig. 1. The external characteristics of Z1505 engine

W układzie sterującym silnika zamontowano dodatkowe czujniki (ciśnienia, temperatu- ry) oraz aparaturę do pomiaru emisji szkodliwych składników spalin i cząstek stałych.

Jednym z urządzeń wykorzystanych w badaniach jest urządzenie firmy MAHA typu

MPM-4. Pozwala ono na precyzyjny pomiar emisji cząstek stałych silnika spalinowego

wysokoprężnego. Zastosowany system pomiarowy oparty na wiązce laserowej wykrywa

cząstki o minimalnej średnicy ok. 0,002 mm. Pomiar polega na ciągłej rejestracji emisji

cząstek stałych w układzie wylotowym, co pozwala na analizę emisji i ocenę warunków

pracy silnika również w stanach niestacjonarnych. Skład spalin monitorowano za pomocą

analizatora spalin Motorscan. Całość połączono w system pomiarowo-sterujący stanowiska

badawczego, dzięki któremu możliwe jest badanie silnika spalinowego według dowolnego

ustalonego wcześniej cyklu.

Źródło: opracowanie własne

Rys. 2. Silnik Z 1505 połączony z hamulcem elektrodynamicznym

Fig. 2. Z 1505 engine connected with the electrodynamic brake

Badania

Tworzenie cyklu NRTC dla konkretnego silnika pojazdu pozadrogowego lub maszyny wymaga określenia poziomów odniesienia, zarówno jeżeli chodzi o moment obrotowy jak i prędkość obrotową wału korbowego silnika. Należy więc wyznaczyć minimalne i maksy- malne wartości podanych powyżej wskaźników pracy silnika.

Wyznaczenie wartości odniesienia dla prędkości obrotowej wału korbowego silnika należy przeprowadzić zgodnie z zależnością:

(

)

sm

ref

n , n n

n = + 0 95 ⋅ − [obr·min

] (1)

gdzie:

n

– prędkość obrotowa wału korbowego niska [obr·min

], n

– prędkość obrotowa wału korbowego wysoka [obr·min

].

przy czym n

jest najmniejszą prędkością, przy której silnik osiąga 50% mocy znamiono-

wej, zaś n

jest największą prędkością, przy której silnik wytwarza 70% mocy znamionowej.

Prędkość obrotową wału korbowego silnika denormalizuje się z wykorzystaniem nastę- pującej zależności:

( )

idle idle ref

%

r

n n n n

n − +

= 100 [obr·min

] (2)

gdzie:

n

– realizowana prędkość obrotowa wału korbowego silnika [obr·min

], n

– prędkość obrotowa odniesienia wału korbowego [obr·min

], n

– procentowa wartość znormalizowanej prędkości [%],

n

– prędkość obrotowa wału korbowego silnika biegu jałowego [obr·min

].

Drugim wskaźnikiem pracy silnika, który należy poddać denormalizacji jest moment obrotowy

100

max r %

M

M = M ⋅ [N·m] (3)

gdzie:

M

– realizowany moment obrotowy [N·m],

M

– procentowa wartość znormalizowanego momentu obrotowego dla danej prędkości obrotowej [%],

M

– Maksymalny moment obrotowy dla danej prędkości obrotowej [N·m].

Moment obrotowy silnika należy monitorować podczas cyklu uwzględniając bezwład- ność hamulca. W rezultacie rzeczywisty moment obrotowy silnika jest sumą momentu zmierzonego oraz iloczynu biegunowego masowego momentu bezwładności hamulca dy- namometrycznego i jego przyspieszenia kątowego

b b m

r

M I

M = + ω & [N·m] (4)

gdzie:

M

– zmierzony moment obrotowy [N·m],

I

– biegunowy masowy moment bezwładności hamulca dynamometrycznego [kg·m

],

ω &

– przyspieszenie kątowe osi hamulca [rad·s

].

Wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej badanego silnika pozwala na przeprowadze- nie procedury denormalizacji (tj. zastąpienie względnych wartości obciążenia i prędkości obrotowych silnika wartościami bezwzględnymi) a w rezultacie wyznaczenie wartości punktów pomiarowych dla cyklu badawczego danego silnika.

Wyznaczenie punktów pomiarowych odpowiadających odpowiedniej fazie w cyklu sta-

cjonarnym NRSC (procedura denormalizacji) wymaga obliczenia rzeczywistych wartości

prędkości i momentu obrotowego. Przykładowe wyniki obliczeń dla silnika Z 1505 będą-

cego obiektem analizy w niniejszej pracy przedstawiono w tabeli 3, korzystając z zależno-

ści (1–3) oraz uwzględniając charakterystykę zewnętrzną silnika podaną przez producenta.

Tabela 3. Punkty pomiarowe w teście stanów ustalonych ISO 8178 dla silnika Z 1505 Table 3. Test points in the stationary test ISO 8178 for Z 1505 engine

Faza cyku Prędkość obrotowa,

[obr·min

] ^Obciążenie [N·m]

Współczynnik wagowy k

1 415 0,15

2 311 0,15

3 208 0,15

4

znamionowa, n

= 2100

42 0,10

5 530 0,10

6 398 0,10

7

pośrednia, n

= 1400

265 0,10

8 bieg jałowy, n

=800 0 0,15

Źródło: materiały własne

Współczynnik wagowy k

dla poszczególnych faz w teście stacjonarnym określa udział uzyskanych wyników emisji poszczególnych faz testu w całkowitym (końcowym) wyniku emisji poszczególnych składników spalin. Ostatecznie emisja jednostkowa poszczególnych składników można wyrazić następującą zależnością:

∑

=

i ij i

cj

k E

E

1

[g·kWh

] (5)

gdzie:

E

– emisja całkowita danego czynnika j [g·kWh

], k

– współczynnik wagowy dla fazy i cyklu testowego, i – kolejny numer fazy cyklu (i = 1 …8),

j – kolejny badany składnik spalin (j =NO

, HC, CO, PM).

Uzyskanie wartości emisji jednostkowej wyrażonej w g·kWh

wymaga stosowania do- datkowej aparatury pomiarowej (np. przepływomierzy spalin) bądź metod estymacji opartej np. na przepływie powietrza i paliwa. Równocześnie należy zwrócić uwagę, że wytyczne dotyczące procedury pomiarowej zawarte w uregulowaniach homologacyjnych dopusz- czają stosowanie kilku metod pomiarowych bądź estymacji przepływu spalin, z zastrzeże- niem ich minimalnej dokładności wyrażonej ±2% [VDMA 2008].

Przebieg testu NRSC z uwzględnieniem czasu trwania poszczególnych faz przedsta- wiono na rys. 3.

Biorąc pod uwagę charakterystykę zewnętrzną silnika badawczego wyznaczono jego charakterystyczne prędkości obrotowe odniesienia, które przyjmują następujące wartości:

n

=1140 obr·min

, n

= 2200 obr·min

, n

=800 obr·min

, wówczas prędkość obrotowa wału korbowego odniesienia wynosi:

( ^{2200 1140} )

95 0

1140 + ⋅ −

= ,

n

(6)

2150 2147 ≈

ref

=

n [obr·min

] (7)

Po przeprowadzeniu procedury denormalizacji dla wszystkich punktów pomiarowych

zgodnie z [VDMA 2008] otrzymano cykl NRTC dla badanego silnika (rys. 4).

0 1000 2000 3000 4000 5000 czas, s

0 200 400 600

moment obrotowy, Nm

1400 obr/min

2100 obr/min 800

obr/min

1 2

3

4 5

6

8 7 faza cyklu NRSC

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

prędkość obrotowa silnika, obr/min

0 100 200 300 400 500 600

obciążenie momentem obrotowym, Nm

Źródło: badania własne

Rys. 3. Przebieg cyklu NRSC dla silnika

Z 1505 (wg ISO 8178)

Fig. 3. The course of NRSC cycle for Z1505 engine (according to ISO 8178)

Źródło: badania własne

Rys. 4. Cykl NRTC po przeprowadzeniu proce-

dury denormalizacji dla silnika Z 1505 Fig. 4. NRTC cycle after carrying the procedure

of the destandardization for the Z 1505 engine

Cykle badawcze a eksploatacyjne warunki pracy silnika

Porównanie położenia punktów pomiarowych cyklu NRSC oraz NRTC w układzie współrzędnych prędkość obrotowa wału korbowego – moment obrotowy silnika pozwala na analizę warunków obu rodzajów testu (rys. 5). Widoczne są obszary pracy silnika, których nie uwzględnia test stacjonarny obejmując tylko kilka punktów charakterystyki silnika.

Tworzenie cyklu NRTC oparto na zarejestrowanych wcześniej przebiegach obciążenia

i prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wybranych rodzajów pojazdów i ma-

szyn poruszających się poza drogami utwardzonymi. Zarejestrowane podczas wykonywa-

nia zadania specyficznego dla danego rodzaju pojazdu wybrane wskaźniki pracy silnika

były podstawą dla cyklu składowego stanowiącego bazę do stworzenia cyklu uwzględnia-

jącego stany nieustalone [VDMA 2008]. Na rys. 6 przedstawiono punkty pracy cyklu skła-

dowego ciągnika rolniczego wykonującego orkę oraz naniesiono na nim również fazy

cyklu stacjonarnego. Część faz (fazy 4, 5, 6, 7) praktycznie nie znajduje pokrycia w obsza-

rach pracy zarejestrowanych podczas pracy ciągnika. Położenie eksploatacyjnych punktów

pracy pokazuje wykorzystanie bardzo ograniczonego pola pracy silnika charakteryzującego

się znaczą wartością prędkości obrotowej wału korbowego (w pobliżu znamionowej) oraz

wysoką wartością momentu obrotowego silnika wynoszącą powyżej 50% jego wartości

maksymalnej.

800 1200 1600 2000 2400 prędkość obrotowa, obr/min

0 200 400 600

moment obrotowy, Nm

punkty cyklu NRTC 1,2 ... 8 - fazy cyklu NRSC

1 2

3

4 5

6

7

8

20 40 60 80 100

względny moment obrotowy, %

punkty cyklu składowego 1,2 ... 8 fazy cyklu NRSC

1

2

3

4 5

6

7

8

Źródło: badania własne

Rys. 5. Zbiór punktów pomiarowych cyklu

NRTC i NRSC dla silnika Z 1505 (wg ISO 8178)

Fig. 5. The collection of test points of NRTC and NRSC cycles for Z 1505 engine (according to ISO 8178)

Źródło: badania własne

Rys. 6. Porównanie rozmieszczenia faz cyklu stanów ustalonych NRSC oraz punktów pomiarowych cyklu składowego ciągnika rolniczego Fig. 6. The Comparison of phases distri-

bution of the stationary NRSC cy- cle and test points of the constituent cycle of a tractor unit

0 20 40 60 80 100

względna prędkość obrotowa, % 0

20 40 60 80 100

względny moment obrotowy, %

punkty cyklu składowego 1,2 ... 8 fazy cyklu NRSC

1

2

3

4 5

6

7

8

Źródło: badania własne

Rys. 7. Porównanie rozmieszczenia faz cyklu stanów ustalonych NRSC oraz punktów pomiarowych cyklu składowego ciągnika gąsienicowego Fig. 7. Comparison of distribution phases

of the stationary NRSC cycle and

test points of the constituent cycle

of a tractor unit

Podsumowanie

Zestawienie i analiza rozmieszczenia punktów pracy silników innych pojazdów nonro- ad, przedstawione na powyższych rysunkach, potwierdzają niewielkie pokrycie punktów cyklu NRSC z położeniem faz testu stacjonarnego na charakterystyce silnika. W przypadku rys.6 ok. 30% punktów cyklu składowego pokrywa się z cyklem stanów ustalonych, zaś rys.7 pokazuje pokrycie wynoszące zaledwie ok. 10% punktów cyklu składowego z cy- klem NRSC. Z tego względu w przypadku następnych wersji norm Euro zaleca się stoso- wanie cyklu NRTC (do pomiaru emisji składników spalin), jako bardziej adekwatnego jeżeli chodzi o odwzorowanie eksploatacyjnych warunków pracy silnika w poszczególnych rodzajach maszyn, a dodatkowo uwzględniającego nieustalone stany pracy silnika.

Bibliografia

Bieniek A., Graba M., Lechowicz A. (2011): Control of agricultural engine injection system in aspect of ecological property improvement, Combustion Engines nr 3/2011, PTNSS-2011-SC- 192, s. 1-8, Bieniek A., Mamala J., Graba M. (2011a): Analysis of combustion process at multi- phase injection at nonroad diesel engine, Combustion Engines nr 3/2011, PTNSS-2011-SC-190, 1-8.

Hromadko J., Hong V., Miler P. (2008): Applications of NRTC Cycle to determine a different fuel consumption and harmful emissions caused by changes of engines technical conditions, Main- taince and Reliability 4, 63-65.

Kopiński D., Jacson C. (1997): Nonroad Diesel PM Control, US EPA, Washington, 1-20.

Merkisz J. (1998): Ekologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Po- znańskiej, Poznań, ISBN 83-7143-070-1.

Walsh M. (2001): Global trends in diesel emissions regulation - a 2001 update. SAE technical paper 2001-01-0183, doi:10.4271/2001-01-0183.

EPA (2001): Nonroad diesel emission standards – Staff technical paper, United States Environmental Protection Agency, 1-40.

VDMA (2008): Exhaust Emission Legislation Diesel and Gas Engines

Dieselnet - Emission Test Cycle, http://www.dieselnet/standards/cycles

Materiały informacyjne firmy Zetor, http://www.zetor.com (15.05.2010)

CERTIFICATION RESEARCH AND OPERATING CONDITIONS OF THE DIESEL ENGINE WORK

Abstract. Every newly constructed vehicle passed for using in the area of EU must get the certifica- tion. One of the criteria taken into consideration under making such tests is a level of emission of harmful substances to the environment. The increasing requirements as for the cleanness of the ex- haust force the producers to search for new technical solutions. For the purpose of controlling the emission size EU has prepared series of the certification tests also for vehicles moving mainly outside highway roads. This study presents the requirements concerning the measurements pursuant to EU requirements, the procedure of the NRTC test for the particular engine and research of the engine tests bench of the particular self-ignition engine. Attention has been paid to divergences between the established and real items of the work of the engine.

Key words: the high-pressure engine, certification tests, non-road vehicles, exhaust emission standards

Adres do korespondencji:

Ireneusz Hetmańczyk; e-mail: i.hetmanczyk@po.opole.pl Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych

Politechnika Opolska, ul. Mikołajczyka 5 45-271 Opole

Dofinansowanie ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska

i Gospodarki Wodnej w Opolu